Additive Fertigung: Innovation und Kosteneffizienz in der Luft- und Raumfahrt

Fertigung ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie eine Herausforderung. Nicht nur sind Luft- und Raumfahrteile außerordentlich komplex, sie müssen auch strukturell einwandfrei sein und den höchsten Qualitätsstandards fast jeder Branche genügen.

Um Kosten zu senken und traditionelle Fertigungsherausforderungen zu überwinden, wenden sich viele Luft- und Raumfahrtunternehmen von konventionellen Fertigungsprozessen der additiven Fertigung zu, um die komplexen Teile, die sie benötigen, effizient herzustellen.

Ohne Zweifel transformiert die additive Fertigung die Luft- und Raumfahrtindustrie. Der Markt für additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt wird voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,17 % wachsen und bis 2026 6,75 Milliarden Dollar erreichen.

Konventionelle Fertigung vs. Additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Additive Fertigung ist ein Prozess, bei dem Material schichtweise zur Struktur eines dreidimensionalen Objekts hinzugefügt wird, basierend auf dem Drucken von CAD-Daten (einem digitalen 3D-Modell). Sie wird auch allgemein als 3D-Druck bezeichnet.

Dies unterscheidet sich von traditionellen Fertigungsprozessen, auch bekannt als subtraktive Fertigung. Bei der konventionellen Fertigung wird Material in eine Form gegeben, um zu härten. Wenn das Material trocknet oder abkühlt, wird es aus der Form genommen und überschüssiges Material entfernt, um das Endprodukt zu formen – daher der Begriff „subtraktiv“.

Im konventionellen Fertigungsprozess erfolgen folgende Schritte:

• Design for Manufacturing (DFM), um sicherzustellen, dass das Teil gefertigt werden kann
• Schwingungsanalyse
• Iteration
• Fertigung
• Test
• Iteration

Bei der additiven Fertigung gibt es weniger Fertigungsschritte und der Prozess verläuft wie folgt:

• Design
• Vorverarbeitung, um sicherzustellen, dass das Design gedruckt werden kann
• Iteration
• Fertigung

3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt basierend auf CATIA-Modellen revolutioniert die Fertigungsindustrie, indem er die Art und Weise verändert, wie Teile hergestellt werden.

Hier sind sechs Möglichkeiten, wie additive Fertigung in Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt wird.

1. Teile mit komplexen Geometrien bauen

Von Hubschrauberteilen bis hin zu Turbinentriebwerken erfordern Luft- und Raumfahrtkomponenten hochkomplexe geometrische Strukturen in manchmal sehr engen Räumen.

Anstatt kleine, komplexe Teile separat zu erstellen und sie später zum Ganzen zusammenzufügen, kann ein Konstruktionsingenieur 3D-Modelle der gesamten Struktur mithilfe von Druck-CAD-Daten erstellen – inklusive aller inneren Komponenten. Dann kann der 3D-Drucker ein nahtloses Teil erstellen, das alle komplexen inneren Dimensionen und Geometrien enthält, ohne dass Montage erforderlich ist. Eine solche Methode kann sogar für den additiven Bau von Strahltriebwerken für Flugzeuge verwendet werden.

Mithilfe additiver Fertigung ist es möglich, komplexe Teile mit kürzerer Vorlaufzeit und Energie aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metall und Kohlefaser, herzustellen.

2. Effizienteres Prototyping

Ohne die Notwendigkeit, Formen zu entwerfen und die Produktion auszulagern, können Luft- und Raumfahringenieure Prototypen in einem Bruchteil der Zeit entwerfen und drucken, die traditionelle Fertigungsmethoden benötigen würden. Mit der Fähigkeit, Prototypen schneller zu erstellen und zu testen, können Luft- und Raumfahrtunternehmen ihre Time-to-Market verkürzen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein.

In der Luft- und Raumfahrt ist es sehr wichtig, dass ein Teil gemäß Spezifikationen gefertigt wird. Bei der konventionellen Fertigung wurde der Spezifikationsprozess bereits eingerichtet. Bei der additiven Fertigung wurde der Spezifikationsprozess jedoch noch nicht etabliert, sodass die Sicherstellung, dass ein gefertigtes Teil gemäß Spezifikationen produziert wurde, nicht so klar ist.

Einige aktuelle Herausforderungen der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt umfassen:

• Einhaltung von Fertigungsstandards durch die Erstellung konsistenter Teile – jedes Teil muss dem zuvor produzierten Teil entsprechen.
• Drucken im größeren Maßstab, da 3D-Druck eine neuere Technologie ist.
• Für Zulieferer in der Luft- und Raumfahrtindustrie: Bestehen von Tests und Einhaltung von Compliance-Standards – da diese Prozesse für additiv gefertigte Teile nicht eingerichtet sind.

3. Kosteneffiziente Produktion

Additive Fertigung kann nicht nur die Zeit für die Erstellung von Prototypen verkürzen, sondern auch die Kosten reduzieren.

Bei der konventionellen Fertigung kann der Materialabfall bei vielen Luft- und Raumfahrtanwendungen bis zu 98 % betragen. Es können viele Metallspäne nach der Subtraktion übrig bleiben, und die Erstellung der richtigen Form kann ein langwieriger Prozess sein.

Da bei der additiven Fertigung Material hinzugefügt und nicht subtrahiert wird, kann der Materialabfall drastisch reduziert werden, was Herstellern hilft, Produktionskosten zu sparen. Es fallen anfängliche Kosten für die Einrichtung additiver Fertigungsprozesse an. Langfristig überwiegen die Kosteneinsparungen jedoch diese vorläufigen Ausgaben.

4. Erhöhung der inneren Festigkeit von Teilen

Jedes Mal, wenn kleinere Teile zu einem größeren Objekt kombiniert werden, verringert dies die strukturelle Integrität des Ganzen. Mit additiver Fertigung können Konstruktionsingenieure gesamte Teile, einschließlich hohler Zentren und innerer Komponenten, ohne schwache, anfällige Fugen erstellen.

Zusätzlich kann die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie Verbundwerkstoffe sehr gut nutzen. Dies ist ein Bereich, in dem die additive Fertigung einen deutlichen Vorteil gegenüber der konventionellen Fertigung hat.

Bei der additiven Fertigung, wenn Sie Ihren Schicht oder Ihre Lagen in die Richtung legen, aus der die Kraft kommen wird, ermöglicht dies Ihrem endgültigen Teil, in dieser Richtung außergewöhnlich stark zu sein.

5. Leichte Komponenten erstellen

Kraftstoff ist einer der höchsten Kostenfaktoren in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Der beste Weg, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, ist die Erstellung leichterer Teile. Leider ist es bei Verwendung konventioneller Fertigung nahezu unmöglich, leichtere Teile zu erstellen, ohne die strukturelle Integrität zu opfern.

Additive Fertigung von Flugzeugteilen ohne die Notwendigkeit von Verbindungselementen wie Bolzen und Schrauben kann das Rahmengweicht um 25 % reduzieren, während die strukturelle Integrität erhöht wird. Nicht nur verringert additive Fertigung den Kraftstoffverbrauch, sondern sie erhöht auch die Gesamtfestigkeit des Flugzeugs.

6. Lagerbedarf verringern

Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat eine der berüchtigt längsten Lieferketten aller Branchen. Um Teile verfügbar zu haben, lagern viele Luft- und Raumfahrtunternehmen große Mengen an Komponenten in Lagerhäusern – ein weiterer Kosten- und logistischer Aufwand.

Da der additive Fertigungsprozess schnell und effizient ist, können Luft- und Raumfahrthersteller Komponenten – einschließlich kundenspezifischer Teile – intern in einem Bruchteil der Zeit und Kosten herstellen, als wenn sie diese über die Standardlieferkette bestellen müssten. Dies reduziert die Notwendigkeit, Teile vorrätig zu haben oder umfangreiche Lagereinrichtungen zu unterhalten.

Die Zukunft der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt

Mit der Fähigkeit, maßgeschneiderte, leichte und strukturell einwandfreie Teile schnell und effizient zu erstellen, ist es kein Wunder, dass viele Unternehmen für Luft- und Raumfahrtanwendungen auf additive Fertigung umsteigen.

Wenn es um die Zukunft der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt geht, spielen CAD-Modelle eine zentrale Rolle. Angesichts der verfügbaren Beispiele und Forschungsaussichten für additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt ist evident, dass CAD-Modelle derzeit im Einsatz sind und für Luft- und Raumfahrtunternehmen wertvoll sind.

Da immer mehr Luft- und Raumfahrtunternehmen von konventionellen zu additiven Fertigungsprozessen wechseln, wird es langfristig einen stärkeren Fokus auf die Fähigkeiten geben, CAD-Modelle zu drucken.

Mit über 35 Jahren 3D-Modellierungserfahrung in einer Reihe von Branchen, einschließlich additiver Fertigung in der Raumfahrtindustrie, hat Spatial überlegene CAD-Datenvorverarbeitung entwickelt und verfügt über die Werkzeuge, um Vorverarbeitungssoftware für präzise, geometrisch exakte 3D-Druck-Luft- und Raumfahrt-CATIA-Modelle zu erstellen.

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